集成式复合敏感电极及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及加速度计技术领域和MEMS (微电子机械系统)技术领域，尤其涉及一种MEMS电化学加速度计复合敏感电极及其制造方法。
【背景技术】
[0002]加速度计是一种将外界的加速度转变为电信号的敏感器件，在惯性导航、地震监测、振动分析以及消费电子中有广泛的应用。常见的类型有传统机械式加速度计、石英加速度计、MEMS加速度计以及光纤加速度计等，在这些器件的内部有一个惯性质量块，工作时质量块在惯性力的作用下相对于器件的固定部件产生位移，或者梁结构应力发生了改变，通过相关的技术可将该位移或应力变化、频移转变为电信号。
[0003]与上述基于固体惯性质量块不同的是，近年来出现的电化学加速度计以电解质溶液为惯性质量块，其敏感元件由两对对称的电极构成。其中，每对电极均包含一个阳极和一个阴极，两对电极呈阳极-阴极-阴极-阳极分布，敏感核心和电解液封装在有机玻璃和橡胶薄膜构成的外壳里。工作时，在阳极与阴极上施加一个恒定的工作电压，参加反应的离子将建立一个稳定的浓度分布，在外界加速度的作用下，电解液和敏感电极产生相对运动，从而改变了两对电极附近反应离子的浓度分布，导致其中一对电极的电化学反应速率变快，而另一对电极的电化学反应速率变慢，进而使其中一对电极的输出电流变大，另一对电极的输出电流变小，两对电极输出电流的差分可以反应外界加速度的大小。已有的电化学加速度计具有高灵敏度、低噪声、低功耗、大倾角工作能力、不易损坏、设计简单等优点，已经应用在高性能的地震仪中。
[0004]已有的电化学检波器的电极敏感核心由铂丝网状电极、多孔陶瓷薄片和陶瓷管组装而成，工艺复杂、成本高、电极一致性差、批量化生产能力差，制约着其使用范围。为了克服传统工艺方法的缺点，近年来出现了基于MEMS技术的电化学加速度计。MEMS技术是在微电子技术和硅微加工基础上发展起来的多学科交叉的新技术，具有微型化、集成化、可批量生产等特点。在新出现的MEMS电化学加速度计中，有的方案分别将电极层与间隔层制作出来，然后进行组装，其优点是单片硅片工艺简单，但是存在层间对齐较差、组装复杂的缺点。有的方案在一个硅片上完成所有的电极层与间隔层，其优点是层间对齐好，缺点是电极参数调整的空间很小，并且灵敏度较低；另外，该技术用FIB技术刻蚀出多层电极结构的通孔，由于其刻蚀效率慢，因而批量化生产能力差。
【发明内容】
[0005]为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的一个目的在于提供一种基于MEMS技术的电化学加速度计复合敏感电极，本发明的另一个目的在于提供一种其的制造方法。
[0006]作为本发明的一个方面，本发明提供了一种复合阳极，其特征在于，所述复合阳极由硅基材料或石英材料通过MEMS技术制成，正面和背面之间形成通孔，作为电解液流动的通道；正面的表面及正面的通孔侧壁有一层金属材料作为电极，背面的表面及背面的孔侧壁是一层绝缘材料保证相邻复合电极之间的绝缘性，从而背面的孔在相邻复合电极之间起到间隔层的作用。
[0007]其中，所述正面和背面之间形成的通孔为一个或多个方形或圆形的孔。
[0008]作为本发明的另一个方面，本发明提供了一种复合阴极，其特征在于，所述复合阴极由硅基材料或石英材料通过MEMS技术制成，正面和背面之间形成通孔，作为电解液流动的通道；正面的表面及正面的通孔侧壁有一层金属材料作为电极，背面的表面及背面的孔侧壁是一层绝缘材料保证相邻复合电极之间的绝缘性，从而背面的孔在相邻复合电极之间起到间隔层的作用。
[0009]其中，所述正面和背面之间形成的通孔为一个或多个方形或圆形的孔。
[0010]作为本发明的再一个方面，本发明提供了一种MEMS电化学加速度计复合敏感电极，其特征在于，所述复合敏感电极由如权利要求1或2所述的复合阳极与如权利要求3或4所述的复合阴极交替堆叠而成，堆叠顺序是阳极-阴极-阴极-阳极。
[0011]其中，所述复合阳极表面的所述通孔中存在一通孔用于引出与其相邻的所述复合阴极的电极引线。
[0012]作为本发明的再一个方面，本发明提供了一种复合阳极或复合阴极的制造方法，米用MEMS加工方法进彳丁制造，包括以下步骤:
[0013]在衬底的背面刻蚀出多个孔，然后在其正面刻蚀出多个孔形成通孔，再在衬底表面生长一层绝缘材料作为绝缘层，最后在正面生长出导电材料得到导电层，从而形成所述复合阳极或复合阴极。
[0014]作为本发明的还一个方面，本发明提供了一种MEMS电化学加速度计复合敏感电极的制造方法，包括以下步骤:
[0015]步骤SI，采用MEMS加工方法分别制备复合阳极和复合阴极；
[0016]步骤S2，通过键合工艺将所述复合阳极与所述复合阴极堆叠在一起。
[0017]其中，步骤SI进一步包括:
[0018]步骤S11，在衬底单晶硅的背面通过深刻蚀工艺刻蚀一定深度的孔径较大的孔，但不刻穿整个硅片；
[0019]步骤S12，在单晶硅衬底的正面用深刻蚀工艺刻蚀孔直到与背面已有的孔相通形成通孔；
[0020]步骤S13，以热氧化方法在所述单晶硅衬底表面生长氧化硅；
[0021]步骤S14，在正面的氧化硅的表面溅射铂金分别得到对应的所述复合阳极或复合阴极。
[0022]其中，步骤S2进一步包括:
[0023]步骤S21，在复合阴极的正面涂上BCB胶，然后通过对准设备将复合阳极与复合阴极对准进行键合，得到一对复合阴阳电极；使用同样的工艺可以得到另一对相同的复合电极；
[0024]步骤S22，将步骤S21得到的两对复合电极键合在一起得到所述复合敏感电极；
[0025]步骤S23，通过引线键合工艺将电极引线引出。
[0026]基于上述技术方案可知，本发明的复合敏感电极具有如下有益效果:(i)间隔层与电极层集成在同一硅片上，使敏感电极的总层数由7减少到4，降低了层间对齐难度，简化了加工工艺；(ii)间隔层的厚度可以根据需要方便地控制为几微米直到上百微米，因而实现了器件灵敏度的自由调节。
【附图说明】
[0027]图1是本发明的复合敏感电极的结构示意图；
[0028]图2是本发明的复合阳极的MEMS工艺制作流程图；
[0029]图3是本发明的复合阴极的MEMS工艺制作流程图；
[0030]图4是本发明的复合阳极与复合阴极的键合工艺流程图。
[0031]附图中符号含义为:
[0032]1-复合阳极 2-复合阴极 3-单晶硅
[0033]4- 二氧化硅 5-铂6-BCB 胶
[0034]a-背面深刻蚀b-正面深刻蚀C-热氧化
[0035]d-溅射e-涂BCB胶 f、g_键合
[0036]h-电极引线
【具体实施方式】
[0037]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明作进一步的详细说明。
[0038]本发明公开了一种MEMS电化学加速度计复合敏感电极，由间隔层集成式复合阳极与间隔层集成式复合阴极交替堆叠而成，其顺序是阳极-阴极-阴极-阳极。其中，该间隔层集成式复合阳极，由硅基材料或石英材料制成，正面布满方形或圆形或其他形状的孔，背面布满孔径较大的方形或圆形或其他形状的凹槽孔与正面的孔相通形成通孔，作为电解液流动的通道；正面的表面及正面的通孔侧壁有一层金属材料作为电极，背面的表面及背面的孔侧壁是一层绝缘材料保证相邻复合电极之间的绝缘性；这样，背面的孔在相邻复合电极之间起到间隔作用，实际上形成了一个间隔层。复合阳极再设计一个孔径较大的通孔，以便从此通孔引出复合阴极的电极引线。
[0039]该间隔层集成式复合阴极，除没有电极引线的通孔外，其特征与复合阳极相同。上述复合阳极与复合阳极中，所谓的复合，是指将电极层与隔开相邻电极的间隔层集成在同一个薄片上，而不需要单独做一个间隔层将相邻电极层隔开的方式。
[0040]本发明还提供了一种MEMS电化学加速度计复合敏感电极的制造方法，包括以下步骤:
[0041]步骤SI，采用MEMS加工方法制备复合阳极与复合阴极；
[0042]具体包括:在衬底的背面刻蚀出多个孔径较大的孔，然后在其正面刻蚀出多个孔径较小的孔形成通孔，再在衬底表面生长一层绝缘材料作为绝缘层，最后在正面生长出导电材料得到导电层以供电化学反应；
[0043]步骤S2，通过键合工艺将该复合阳极与该复合阴极堆叠在一起。
[0044]其中，步骤SI进一步包括:
[0045]步骤S11，在衬底